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近代物理初步,第 十四 章,第2講 原子結(jié)構(gòu)與原子核,知識(shí)梳理自測(cè),1．電子的發(fā)現(xiàn)：英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了________，提出了原子的“棗糕模型”。,原子的核式結(jié)構(gòu),一、原子結(jié)構(gòu) 光譜和能級(jí)躍遷,電子,2．原子的核式結(jié)構(gòu)： 觀察上面兩幅圖，完成以下空格： (1)1909～1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了____________________，提出了核式結(jié)構(gòu)模型。,α粒子散射實(shí)驗(yàn),(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后，基本上_______________________，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至___________，也就是說(shuō)它們幾乎被“撞了回來(lái)”。 (3)原子的結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的____________________________都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在________________。,仍沿原來(lái)的方向前進(jìn),大于90°,幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷,核外空間運(yùn)動(dòng),1．光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長(zhǎng)展開(kāi)，獲得光的________(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜。 2．光譜分類：,光譜,波長(zhǎng),特征譜線,1．玻爾的三條假設(shè) (1)定態(tài)：原子只能處于一系列________的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是________的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。 (2)躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即hν＝__________。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s) (3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是____________，因此電子的可能軌道也是___________。,玻爾理論 能級(jí),不連續(xù),穩(wěn)定,Em－En,不連續(xù)的,不連續(xù)的,2．基態(tài)和激發(fā)態(tài) 原子能量最低的狀態(tài)叫________，其他能量較高的狀態(tài)叫________。 3．氫原子的能級(jí)和軌道半徑 (1)氫原子的能級(jí)公式：E0＝________(n＝1,2,3，…)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E1＝__________。 (2)氫原子的半徑公式：rn＝________(n＝1,2,3，…)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1＝0.53×10－10m。,基態(tài),激發(fā)態(tài),－13.6eV,n2r1,4．氫原子的能級(jí)圖,(1)原子核由________和________組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為_(kāi)_______。 (2)原子核的核電荷數(shù)＝________數(shù)，原子核的質(zhì)量數(shù)＝_______________，質(zhì)子和中子都為一個(gè)單位質(zhì)量。 (3)X元素的原子核的符號(hào)為X，其中A表示________，Z表示核電荷數(shù)。,原子核的組成,二、原子核 核反應(yīng)和核能,質(zhì)子,中子,核子,質(zhì)子,質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù),質(zhì)量數(shù),1．天然放射現(xiàn)象 元素________地放出射線的現(xiàn)象，首先由__________發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明________還具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 2．放射性和放射性元素 物質(zhì)發(fā)射某種看不見(jiàn)的射線的性質(zhì)叫________。 具有放射性的元素叫______________。 3．三種射線 放射性元素放射出的射線共有三種，分別是α射線、β射線、γ射線。,天然放射現(xiàn)象,自發(fā),貝克勒爾,原子核,放射性,放射性元素,4．三種射線的比較,高速電子流,2e,c,不偏轉(zhuǎn),最強(qiáng),很弱,5．放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù) (1)放射性同位素：有________放射性同位素和________放射性同位素兩類，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同。 (2)應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷，作____________等。 (3)防護(hù)：防止放射性對(duì)人體組織的傷害。,天然,人工,示蹤原子,原子核的衰變 半衰期,α粒子或β粒子,半數(shù),內(nèi)部,1．核力 (1)定義：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力。 (2)特點(diǎn) ①核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)； ②核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)； ③每個(gè)核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。,核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損,2．結(jié)合能 核子結(jié)合為原子核時(shí)________的能量或原子核分解為核子時(shí)________的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能。 3．比結(jié)合能 (1)定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。 (2)特點(diǎn)：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。,釋放,吸收,4．質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損 愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E＝________，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm，這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE＝________。,mc2,Δmc2,思維診斷： (1)原子中絕大部分是空的，原子核很小。( ) (2)核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)是盧瑟福在α粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的。( ) (3)氫原子光譜是由一條一條亮線組成的。( ) (4)玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜，也成功地解釋了氦原子光譜。( ) (5)按照玻爾理論，核外電子均勻分布在各個(gè)不連續(xù)的軌道上。( ) (6)人們認(rèn)識(shí)原子具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)是從英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫研究陰極射線發(fā)現(xiàn)電子開(kāi)始的。( ),√,√,√,×,×,√,(7)人們認(rèn)識(shí)原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)是從盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開(kāi)始的。( ) (8)如果某放射性元素的原子核有100個(gè)，經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期后還剩50個(gè)。( ) (9)質(zhì)能方程表明在一定條件下，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。( ),×,×,×,AD,A．放在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多 B．放在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置時(shí)稍少些 C．放在C、D位置時(shí)，屏上觀察不到閃光 D．放在D位置時(shí)，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數(shù)極少 [解析] α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子被反彈回來(lái)。因此，熒光屏和放大鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個(gè)位置時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)分別為絕大多數(shù)、少數(shù)、少數(shù)、極少數(shù)，故A、D正確。,[解析] 各種原子的發(fā)射光譜都是線狀譜，C錯(cuò)誤。其他選項(xiàng)的說(shuō)法均正確，故本題答案為C項(xiàng)。,C,[解析] 光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，A錯(cuò)誤；陰極射線實(shí)驗(yàn)說(shuō)明能從原子中打出電子來(lái)，說(shuō)明原子還可以再分，原子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，B錯(cuò)誤；盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，C錯(cuò)誤；放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫天然放射現(xiàn)象，使人們認(rèn)識(shí)到原子核內(nèi)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，D正確。,D,CD,[解析] 原子序數(shù)大于83的元素都具有放射性，但不是只有原子序數(shù)大于83的元素才具有放射性，故A錯(cuò)誤。α射線是具有放射性的元素的原子核在發(fā)生衰變時(shí)兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合在一起從原子核中釋放出來(lái)的，故B錯(cuò)誤。β射線是具有放射性的元素的原子核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子同時(shí)釋放出的一個(gè)高速電子即β粒子，發(fā)生β衰變時(shí)，元素原子核的質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1，故C正確。原子核在發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)產(chǎn)生的能量以γ光子的形式釋放，故D正確。,核心考點(diǎn)突破,1．能級(jí)圖中相關(guān)量意義的說(shuō)明,氫原子能級(jí)及原子躍遷,C,A．這些氫原子總共可輻射出3種不同頻率的光 B．由n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)產(chǎn)生的光的頻率最小 C．用n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)輻射出的光照射逸出功為6.34eV的金屬鉑能發(fā)生光電效應(yīng) D．由n＝4能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)產(chǎn)生的光波長(zhǎng)最大,〔類題演練 1 〕,A,[解析] 13eV的光子的能量小于基態(tài)的電離能，又不等于基態(tài)與其他激發(fā)態(tài)間的能量差，該光子不會(huì)被吸收，電子與氫原子碰撞，可以把一部分或全部能量傳遞給氫原子，而使其發(fā)生躍遷，所以13eV的電子和10.2eV的電子都可以被吸收。10.2eV的光子正好等于n＝1能級(jí)和n＝2能級(jí)的能量差，可以被氫原子吸收發(fā)生躍遷。所以不能使基態(tài)氫原子吸收能量而發(fā)生躍遷的是A。,〔類題演練 2 〕,C,A．氦離子(He＋)處于n＝1能級(jí)時(shí)，能吸收45eV的能量躍遷到n＝2能級(jí) B．大量處在n＝3能級(jí)的氦離子(He＋)向低能級(jí)躍遷時(shí)，只能發(fā)出2種不同頻率的光子 C．氦離子(He＋)從n＝4能級(jí)躍遷到n＝3能級(jí)比從n＝3能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)輻射出光子的波長(zhǎng)大 D．若氦離子(He＋)從n＝2能級(jí)躍遷到基態(tài)，輻射出的光子能使某金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，則從n＝4能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)釋放的光子一定也能使該金屬板發(fā)生光電效應(yīng),[解析] 吸收的光子能量等于兩能級(jí)間的能量差，才能發(fā)生躍遷，從n＝1能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)，吸收的光子能量為40.8eV，故A錯(cuò)誤。大量處在n＝3能級(jí)的氦離子(He＋)向低能級(jí)躍遷，能發(fā)出3種不同頻率的光子，故B錯(cuò)誤。由圖可知，n＝4能級(jí)和n＝3能級(jí)的能量差小于n＝3能級(jí)和n＝2能級(jí)的能量差，則從n＝4能級(jí)躍遷到n＝3能級(jí)輻射的光子能量小于從n＝3能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)輻射的光子能量，所以從n＝4能級(jí)躍遷到n＝3能級(jí)比從n＝3能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)輻射出光子的頻率低，波長(zhǎng)大，故C正確。從n＝2能級(jí)躍遷到基態(tài)釋放的光子能量為－13.6eV－(－54.4eV)＝40.8eV，若能使某金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，從n＝4能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)釋放的光子能量為－3.4eV－(－13.6eV)＝10.2eV40.8eV，則不一定能使該金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，故D錯(cuò)誤。,1．確定衰變的種類及衰變次數(shù)的方法 不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子后，轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓Q為原子核的衰變。判斷衰變的種類及衰變次數(shù)要掌握幾個(gè)要點(diǎn)。 (1)知道α粒子和β粒子的表示符號(hào) α粒子實(shí)質(zhì)是氦原子核，符號(hào)是He，其中4表示氦的質(zhì)量數(shù)，2表示氦的電荷數(shù)。β粒子實(shí)質(zhì)是電子，符號(hào)是e，其中0表示電子的質(zhì)量數(shù)，－1表示電子的電荷數(shù)。,原子核的衰變 半衰期,注意：①γ射線是伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生的。放出γ射線后，原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不變，其實(shí)質(zhì)是放射性元素的原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時(shí)，由于產(chǎn)生的某些新核具有過(guò)多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。 ②當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生連續(xù)衰變時(shí)，原子核中有的發(fā)生α衰變，有的發(fā)生β衰變，同時(shí)伴有γ射線產(chǎn)生，這時(shí)可連續(xù)放出三種射線。,B,〔類題演練 3 〕,AB,1．核反應(yīng)的四種類型,核反應(yīng)類型及核反應(yīng)方程,2．核反應(yīng)過(guò)程一般是不可逆的，書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程不能用等號(hào)，只能使用單向箭頭“―→”連接，并表示反應(yīng)方向。 3．核反應(yīng)過(guò)程遵循質(zhì)量數(shù)守恒，而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過(guò)程中伴隨著能量的巨大變化，反應(yīng)前后質(zhì)量會(huì)變化，一般質(zhì)量會(huì)虧損。 4．核反應(yīng)過(guò)程中遵循電荷數(shù)守恒原理。,(1)________是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，________是研究原子彈的基本核反應(yīng)方程，________是研究氫彈的基本核反應(yīng)方程。 (2)求B中X的質(zhì)量數(shù)和中子數(shù)。 (3)判斷以上五個(gè)核反應(yīng)的反應(yīng)類型。,E,B,A,解題導(dǎo)思：(1)試寫(xiě)出α粒子、β粒子、中子的符號(hào)。 (2)原子彈利用的反應(yīng)類型是什么？ (3)氫彈利用的反應(yīng)類型是什么？ 答案：(1)α粒子符號(hào)是He，β粒子符號(hào)是e，中子的符號(hào)是n。 (2)原子彈利用的是核裂變反應(yīng)。 (3)氫彈利用的是核聚變反應(yīng)。,[解析] (1)人工轉(zhuǎn)變方程的特點(diǎn)是箭頭的左邊是氦核與常見(jiàn)元素的原子核，箭頭的右邊也是常見(jiàn)元素的原子核。E是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程。B是裂變反應(yīng)，是研究原子彈的核反應(yīng)方程。A是聚變反應(yīng)，是研究氫彈的核反應(yīng)方程。 (2)由電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可以判定，X質(zhì)量數(shù)為144，電荷數(shù)為56，所以中子數(shù)為144－56＝88。 答案：(2)144 88 (3)輕核聚變 重核裂變 β衰變 α衰變 人工轉(zhuǎn)變,〔類題演練 4 〕,1．質(zhì)能方程的理解 (1)一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)量成正比，即E＝mc2。 方程的含義是：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，物體的能量增大，質(zhì)量也增大；物體的能量減少，質(zhì)量也減少。 (2)核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其能量也要相應(yīng)減少，即ΔE＝Δmc2。 (3)原子核分解成核子時(shí)要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2。,核能的計(jì)算,2．核能釋放的兩種途徑的理解 中等大小的原子核的比結(jié)合能最大，這些核最穩(wěn)定。 (1)使較重的核分裂成中等大小的核。 (2)較小的核結(jié)合成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會(huì)增加，都可以釋放能量。,(2)原子核衰變過(guò)程中，α粒子、β粒子和新生原子核在磁場(chǎng)中的軌跡。 ①α衰變中，α粒子和新生原子核在磁場(chǎng)中的軌跡外切，如圖(甲)所示。 ②β衰變中，β粒子和新生原子核在磁場(chǎng)中的軌跡內(nèi)切，如圖(乙)所示。,(3)計(jì)算核能的方法 ①根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，用核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量虧損的千克數(shù)乘以真空中光速的平方，即ΔE＝Δmc2； ②根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV的能量，得ΔE＝質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)×931.5MeV。 ③根據(jù)平均結(jié)合能來(lái)計(jì)算核能 原子核的結(jié)合能＝平均結(jié)合能×核子數(shù)。 ④有時(shí)可結(jié)合動(dòng)量守恒和能量守恒進(jìn)行分析計(jì)算，此時(shí)應(yīng)注意動(dòng)量、動(dòng)能關(guān)系式p2＝2mEk的應(yīng)用。,3,大于,答案：(2)4.3×10－12J,〔類題演練 5 〕,